近日，粮食学院刘畅副教授在国际知名期刊ACS Sensors（IF=10.9，中科院一区TOP）发表了题为“DNA Hydrogel-Based Fluorescence Biosensor Packed in a Three-Dimensional-Printed Microextractor for Direct Tracking of Free Antibiotic Resistance Genes in Wastewater Treatment Plants”的研究论文。环境与化学工程学院硕士研究生朱绮为论文共同第一作者，环境与化学工程学院唐盛教授为通讯作者，江苏科技大学为第一完成单位。研究获得了国家自然科学基金和镇江市重点研发计划等项目的资助。

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随着抗生素的广泛使用，抗生素抗性基因（ARGs）作为新型污染物已引发全球公共卫生危机。传统污水处理厂虽采用多种生物处理工艺，但难以完全消除ARGs，且水体中游离态ARGs的比例会因耐药细菌的大量裂解而显著增加。游离态ARGs在环境基质中丰度低且易被降解，同时环境样品中腐殖质等抑制剂会干扰检测的准确性。建立灵敏、便捷的分析方法对环境样品中游离ARGs的动态分布进行精准监测十分必要，是该领域的前沿问题。

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针对上述挑战，研究团队创新性地将1,1,2,2-四（4-羧基苯）乙烯（TCPE）基DNA水凝胶封装于3D打印微萃取管中，构建了一体化荧光生物传感微萃取系统。该方法结合DNA水凝胶、核酸扩增反应与3D打印管的空间限域效应，实现了对游离态ARGs的快速萃取和高灵敏荧光检测。当目标ARGs存在时，链置换扩增反应持续生成DNA产物（R2），R2进入水凝胶后与其中cDNA链结合，引发水凝胶收缩，促使TCPE分子聚集，从而产生显著的聚集诱导发光（AIE）信号增强。该方法可用于四种典型ARGs（bla_-TEM, tetM, sul-1和bla-_CTX-M-1）的高灵敏分析，检测限分别低至0.165、0.231、0.171和0.159 fM，线性范围为1 fM至100 nM，展现出优异的灵敏度和宽广的检测范围。

在实际应用层面，研究团队将该方法应用于分析水环境中游离ARGs（以bla_-TEM为代表）的分布和转移。追踪并分析了不同采样点（包括污水处理厂内外）bla_-TEM的分布情况。结果表明，bla_-TEM浓度随处理工序的推进逐步降低；在河流下游方向，随着距排放口距离增加，bla_-TEM浓度逐渐降低，清晰反映了游离态ARGs的扩散与衰减规律。此外，还研究了在养殖水中引入抗生素青霉素G钠后鲫鱼体内bla_-TEM的动态变化，并利用导入质粒的大肠杆菌DH5α探讨了bla_-TEM的水平转移，结果表明抗生素选择压力可加剧ARGs在水生生物体内的富集。本研究为实际水体和生物样品中ARGs动态分布的快速、便捷、准确分析提供了一种新方法，在环境和生物分析领域具有良好的应用前景。

论文链接：https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acssensors.6c00391